美国东北大学祝红丽课题组AMT:使用卷对卷柔版印刷工业化制造可客制化图案的纸质锂离子微电池!
创新点:锂离子微电池拥有高性能,可以被运用于更广泛而独特的场景,但目前为止,工业化制造结构可设计的锂离子微电池仍是非常的困难。传统的锂离子电池涂布法无法对电极的结构进行设计,而现有的新方法制造价格昂贵且无法工业化生产。为了实现结构可设计的锂离子微电池的工业化,这项研究首次引入了一种成熟的卷对卷柔版印刷技术来制造拥有高分辨率图案的锂离子电极。与金属、塑料和玻璃等其他电子印刷基材相比,这项研究选择了价格低廉且可生物降解的纤维素纸作为印刷基材,以提高印刷分辨率。与此同时,纸张中纤维素纤维之间的特殊孔隙被用来转移离子并进一步被用作锂离子电池的隔膜。使用绿色环保可生物降解的纸张同时作为印刷基材和隔膜可以有效简化制造流程,降低制造成本,并保护环境。
关键词:纸电池,卷对卷柔版印刷,锂离子微电池,可客制化图案

图1: 可客制化图案的纸质锂离子微电池 (a) 未来工业生产中柔版印刷纸电池的流程图,(b) 卷对卷柔版印刷组件,(c)印刷出带有特定图案的磷酸铁锂纸电极
得益于体积小,微电池可广泛应用于微型电子设备,如微机电系统、生物传感器、人体植入物、微电子、智能卡、射频识别器和集成电路。然而,传统的条形涂层电池产业化无法定制微电池的结构和图案。目前已发表的制造方法,包括 3D 打印、光刻、电沉积和原子层沉积法,由于工艺复杂且价格高昂,仍仅限于实验室演示规模。
美国东北大学祝红丽课题组这项研究首次将大规模的卷对卷(R2R)柔版印刷和锂离子电池生产结合起来,制造具有独特图案的锂离子电池,其中拥有高印刷性的柔韧纸张被同时用作锂离子电池的印刷基材和隔膜。具体来说,这项工作开发了一系列可柔版印刷的磷酸铁锂油墨,并成功地用大型柔版印刷机在超薄(25微米)和超轻(23.4克/平方米)的字典纸上进行印刷。在80英寸/分钟的速度下,35%的固体含量磷酸铁锂油墨被成功转移到了纸上,并完成了具有高分辨率的柔版印刷图案。此外,在纸的背面用Al2O3对隔膜进行改性,解决了纸隔膜微短路的问题并提高了纸电池的稳定性。柔版印刷的纸质电池表现出了高速性能(在2C时的放电容量保持率为0.1C时的97.2%)和出色的容量稳定性(在3C下1000次循环后的放电容量保持率约为100%)。这些结果展现出将柔版印刷运用于图案结构可设计的锂离子微电池的巨大潜力。与此同时,由于使用柔韧、廉价、可持续、具有高吸墨性和高印刷性的纸张作为锂离子电池的印刷基材和隔膜的设计,这种纸电池可以扩展到柔性电池的制造,并且有潜力制造用于可穿戴电子设备和生物工程的高分辨率微型电池。
WILEY
论文信息:
Large-scale Manufacturing of Pattern-integrated Paper Li-ion Microbatteries through Roll-to-roll Flexographic Printing
Ying Wang, Daxian Cao, Xiao Sun, Haoze Ren, Tongtai Ji, Xiaoning Jin, Jeffrey Morse, Barbara Stewart, Hongli Zhu*.
Advanced Materials Technologies
DOI: 10.1002/admt.202200303